專利名稱：控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)一種對(duì)懸浮液體中微小質(zhì)粒進(jìn)行操縱的裝置，特別涉及一種利用流體熱脹冷縮特性來達(dá)到操縱懸浮液中微小質(zhì)粒(特別是生物細(xì)胞)運(yùn)動(dòng)的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前自然科學(xué)與工程技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是朝微型化發(fā)展，人們的注意力逐漸從宏觀物體轉(zhuǎn)向那些發(fā)生在小尺度中的現(xiàn)象及其相應(yīng)器件上，其中對(duì)微小質(zhì)粒規(guī)則運(yùn)動(dòng)的操縱是一大類重要問題，比如在許多微/納米器件應(yīng)用場(chǎng)合及加工情況下，需要實(shí)現(xiàn)精密的位移控制；近期，人們提出了在液體環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)微小質(zhì)粒的激光加工，而這也有賴于微操作；特別是，在生物醫(yī)學(xué)技術(shù)研究方面，對(duì)微小細(xì)胞體進(jìn)行主動(dòng)控制長(zhǎng)期為細(xì)胞生物學(xué)家所夢(mèng)寐以求，按照Bell實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家Ashkin(1986年提出光鑷技術(shù))的說法[李銀妹編譯，光鑷原理、技術(shù)和應(yīng)用，合肥中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，1996]，“將細(xì)胞器從其正常位置移走的能力，為我們打開了精確研究細(xì)胞功能的大門”。
目前，在控制液體環(huán)境中的微小質(zhì)粒如細(xì)胞體，光鑷是其中最有前景的技術(shù)之一，這是一種基于激光光學(xué)效應(yīng)引起的光壓操縱微小質(zhì)粒的方法，其可迅速捕捉和輸運(yùn)染色體、細(xì)菌、病毒甚至細(xì)胞，該技術(shù)為細(xì)胞導(dǎo)入外源基因、研究和改變?nèi)旧w結(jié)構(gòu)、研究細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)功能以及進(jìn)行物種雜交等生命科學(xué)前沿課題展示了廣闊的前景。以往，盡管各種顯微鏡的出現(xiàn)均從各自的角度開拓了對(duì)活細(xì)胞的研究，但這些方法都沒有解決在保持細(xì)胞正常生命活動(dòng)的條件下束縛和控制細(xì)胞的技術(shù)，而這一技術(shù)是所有活細(xì)胞研究首先要解決的問題[李銀妹編譯，光鑷原理、技術(shù)和應(yīng)用，合肥中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1996]。以往單細(xì)胞操作中存在技術(shù)難度大、細(xì)胞易受機(jī)械損傷這樣的致命弱點(diǎn)。光鑷技術(shù)的發(fā)明為此開辟了較有效的途徑，目前幾乎所有的單細(xì)胞操作都可用光鑷替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。然而，光鑷技術(shù)也同樣存在不足，這主要體現(xiàn)在，難以控制的激光能量可能會(huì)導(dǎo)致所操縱細(xì)胞的溫升過高以至破壞細(xì)胞，從而使活體細(xì)胞研究中斷；而且，實(shí)現(xiàn)一套激光光鑷系統(tǒng)需要激光器及其調(diào)節(jié)裝置，光鑷技術(shù)使用中要通過顯微鏡將光束聚集到亞微米大小的光點(diǎn)，再輔以精密機(jī)械定位系統(tǒng)、光學(xué)顯微鏡以及其它技術(shù)進(jìn)行精確定位、操作和觀測(cè)細(xì)胞，由此使得整套機(jī)構(gòu)龐大，設(shè)備復(fù)雜，費(fèi)用昂貴；再者，對(duì)于一些體積乃至質(zhì)量較大的細(xì)胞，激光光壓的強(qiáng)度有時(shí)尚難使之發(fā)生位移，因而會(huì)使操縱無效。除光鑷技術(shù)外，人們也嘗試采用其他方式如電、磁、聲等作用機(jī)制來控制微小質(zhì)粒，但這些方式都無一例外地要引入外場(chǎng)效應(yīng)，從而會(huì)改變物體本身的某些物理化學(xué)行為，以至影響對(duì)真實(shí)物理過程的理解。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，而提供一種利用流體熱脹冷縮乃至相變特性來達(dá)到控制微小質(zhì)粒特別是生物細(xì)胞的微/納米級(jí)精確操縱的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、操作十分簡(jiǎn)便，可與幾乎所有顯微鏡配合使用。
本發(fā)明的實(shí)施方案如下本發(fā)明提供的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，包括玻璃容器2、微/納米級(jí)槽道3和微樣品室5，所述微樣品室5的兩側(cè)或周圍規(guī)則對(duì)稱布置裝有工作介質(zhì)21的玻璃容器2，每一玻璃容器2器壁上設(shè)置與微樣品室5相連通的微/納米級(jí)槽道3，每一玻璃容器2的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源8的電加熱薄膜4；還進(jìn)一步包括透明基底1，玻璃容器2制作在透明基底1上；整體裝置的各部件由玻璃或硅透明材料制做；所述玻璃容器2的形狀為立方體筒形，其具體尺寸為1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之間；所述玻璃容器2的形狀為圓柱筒形，其直徑為1mm-50mm；所述微樣品室5為立方體筒形，其具體尺寸為所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之間；所述微樣品室5為圓柱筒形，其直徑為0.01mm-10mm；所述微/納米級(jí)槽道3的直徑為10nm到1mm之間；所述工作介質(zhì)21為具有熱膨脹特性的流體；所述微/納米級(jí)槽道3下方的透明基底1上設(shè)有對(duì)微/納米級(jí)槽道3中的工作介21進(jìn)行降溫冷卻的半導(dǎo)體制冷片6；所述微/納米級(jí)槽道3內(nèi)設(shè)置活塞；所述樣品室5內(nèi)增設(shè)可對(duì)微小質(zhì)粒實(shí)施電泳及電穿孔功能微電極。
玻璃容器2的內(nèi)腔可采用常規(guī)玻璃制造技術(shù)預(yù)先成型，而電加熱薄膜4固定在玻璃容器2的基底或一側(cè)，之后，在透明基底1的選定表面上利用一些成熟技術(shù)如光刻技術(shù)、X-射線蝕刻、離子束及電子束研磨技術(shù)等刻蝕出微/納米級(jí)槽道3，由此構(gòu)成特定的流路網(wǎng)絡(luò)通道，最后用中心開空的玻璃蓋板將流路網(wǎng)絡(luò)通道覆蓋，通過高溫使玻璃蓋板與透明基底1熔合在一起，即形成微/納米級(jí)槽道3與玻璃容器2連通為一體的本發(fā)明的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，玻璃容器2內(nèi)可設(shè)置熱電偶10，以便監(jiān)測(cè)其內(nèi)溶液的溫度。
綜上所述，本發(fā)明提供的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，具有很高的性能價(jià)格比，其原理在于將細(xì)胞或微小質(zhì)粒限制在微小空間內(nèi)再從多個(gè)方向通過微小流體的流動(dòng)來加以控制，無需閥門、泵等，且不引入外場(chǎng)效應(yīng)，更加安全可靠，還因?yàn)檠赝镜奈⑿×黧w可以輕而易舉地被冷卻；本發(fā)明由于采用封裝在一定空間內(nèi)的流體21的熱漲冷縮來操縱對(duì)象，僅需通過改變電流大小即可實(shí)現(xiàn)不同的加熱功能，從而使微槽內(nèi)流體21發(fā)生不同程度的位移而操縱微樣品室5內(nèi)的微小對(duì)象，且連續(xù)性好，能較好地滿足三維移動(dòng)的要求，具有可控位移范圍寬、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，操作十分簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。


附圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖2為附圖1的A-A剖面示意圖；附圖3為本實(shí)用新型一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4-1為本實(shí)用新型另一具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；附圖4-2和4-3分別為附圖4-1的A-A剖面示意圖和B-B剖面示意圖；其中透明基底1玻璃容器2 微樣品室5微/納米級(jí)槽道3 電加熱薄膜4 半導(dǎo)體制冷片6工作介質(zhì)21 電源8溫度傳感器10實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，也是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例；由圖可知，本發(fā)明提供的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，包括玻璃容器2、微/納米級(jí)槽道3和微樣品室5，所述微樣品室5的兩側(cè)或周圍規(guī)則對(duì)稱布置裝有工作介質(zhì)21的玻璃容器2，每一玻璃容器2器壁上設(shè)置與微樣品室5相連通的微/納米級(jí)槽道3，每一玻璃容器2的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源8的電加熱薄膜4；還進(jìn)一步包括透明基底1，玻璃容器2制作在透明基底1上；整體裝置的各部件由玻璃或硅透明材料制做；所述玻璃容器2的形狀為立方體筒形，其具體尺寸為1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之間；所述玻璃容器2的形狀為圓柱筒形，其直徑為1mm-50mm；所述微樣品室5為立方體筒形，其具體尺寸為所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之間；所述微樣品室5為圓柱筒形，其直徑為0.01mm-10mm；所述微/納米級(jí)槽道3的直徑為10nm到1mm之間；所述工作介質(zhì)21為具有熱膨脹特性的流體；所述微/納米級(jí)槽道3下方的透明基底1上設(shè)有對(duì)微/納米級(jí)槽道3中的工作介21進(jìn)行降溫冷卻的半導(dǎo)體制冷片6；所述微/納米級(jí)槽道3內(nèi)設(shè)置活塞；所述樣品室5內(nèi)增設(shè)可對(duì)微小質(zhì)粒實(shí)施電泳及電穿孔功能微電極。
玻璃容器2的內(nèi)腔可采用常規(guī)玻璃制造技術(shù)預(yù)先成型，而電加熱薄膜4則固定在容器的基底或一側(cè)，之后，在透明基底1的選定表面上利用一些成熟技術(shù)如光刻技術(shù)、X-射線蝕刻、離子束及電子束研磨技術(shù)等刻蝕出微/納米級(jí)槽道3，由此構(gòu)成特定的流路網(wǎng)絡(luò)通道，最后用中心開空的玻璃蓋板將流路網(wǎng)絡(luò)通道覆蓋，通過高溫使玻璃蓋板與透明基底1熔合在一起，即形成微/納米級(jí)槽道3與玻璃容器2連通為一體的本發(fā)明的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，玻璃容器2內(nèi)可設(shè)置溫度傳感器(熱電偶)10，以便監(jiān)測(cè)其內(nèi)溶液的溫度。
微/納米級(jí)槽道3的制作如圖1所示，圖2為圖1的A-A剖面圖；由圖可知，首先在玻璃或硅片基底1上采用微加工技術(shù)刻蝕出如圖1所示的微/納米級(jí)槽道3，并在基底中心加工出微樣品室5，再在其上覆蓋一中心開孔的玻璃或硅片，玻璃或硅片的中心孔與微樣品室5相對(duì)應(yīng)，基底1和玻璃或硅片之間通過高溫融合在一起，由此形成如圖1所示的中心為樣品室5，四周為微/納米級(jí)槽道3的微操作裝置，微/納米級(jí)槽道3可保持水平，也可與水平面成一定角度。圖1給出的僅是一種實(shí)施例結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，其結(jié)構(gòu)形式可以多種多樣，如圖4-1至圖4-3所示的是另一種樣品室與微/納米級(jí)槽道3的組合形式，實(shí)際制造時(shí)可以根據(jù)需要確定具體的形式。另外，需要補(bǔ)充說明的是，微/納米級(jí)槽道3尺寸也可以略大，此時(shí)在其內(nèi)可設(shè)置有微活塞，由此通過流體的熱膨脹來推動(dòng)樣品室5為非懸浮液環(huán)境時(shí)其內(nèi)的物體。而且，微樣品室5內(nèi)還可增設(shè)其他部件如微電極等，以滿足對(duì)細(xì)胞實(shí)施電泳及電穿孔等功能的需要。
如圖3所示的是本發(fā)明最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，其微樣品室5位于中間，兩側(cè)設(shè)有玻璃容器2，玻璃容器2和微樣品室5由微/納米級(jí)槽道3連通，玻璃容器2內(nèi)裝有帶加熱電源8的電加熱薄膜4和溫度傳感器10；本發(fā)明提供的裝置可在一些較寬范圍如儀器、醫(yī)療、生物系統(tǒng)、機(jī)器人、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，人們發(fā)現(xiàn)，熱信號(hào)是控制一些“微小”機(jī)器的最合適的工具之一[劉靜，微米/納米尺度傳熱學(xué)，北京科學(xué)出版社，2001]。與熱驅(qū)動(dòng)相比，一些傳統(tǒng)微致動(dòng)技術(shù)如堆型壓電驅(qū)動(dòng)器若要實(shí)現(xiàn)較大的力輸出，則其位移相對(duì)較小(＜10μm)；而雙壓電晶片雖可獲得大的位移，但輸出力又相對(duì)較小；此外，電力驅(qū)動(dòng)則對(duì)顆粒和潮濕環(huán)境非常敏感；而磁致動(dòng)又不易加工到亞毫米尺度。本發(fā)明利用的正是熱方法的獨(dú)特性能即液體熱漲冷縮特性來控制微小對(duì)象，其有可能成為操縱細(xì)胞的一種安全有效的全新手段。
本發(fā)明具有很多優(yōu)點(diǎn)，首先，微電加熱膜4的響應(yīng)極其快速，方便，可通過改變電流大小實(shí)現(xiàn)多種調(diào)控方案；另一方面，由于微/納米級(jí)槽道3直徑極小，因而略微的加熱即可實(shí)現(xiàn)其內(nèi)流體大的位移，操縱精度高；該器件無需引入其他裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究極為有利；正是由于這些綜合因素，使得本發(fā)明提供的器件制造成本、價(jià)格較低，相比以往的光鑷技術(shù)在某些方面具有一定優(yōu)勢(shì)。
本發(fā)明裝置的使用過程如下1.對(duì)本發(fā)明裝置進(jìn)行清潔，消毒，并在玻璃容器2及微/納米級(jí)槽道3內(nèi)灌裝合乎要求的工作介質(zhì)21，使工作介質(zhì)21充滿整個(gè)玻璃容器2、微/納米級(jí)槽道3及微樣品室5；2.將待操縱質(zhì)粒如細(xì)胞等置入微樣品室5內(nèi)，設(shè)置好微電加熱膜4上的電流大小，然后根據(jù)需要調(diào)整的方向和位移大小開通相應(yīng)的多個(gè)電加熱膜，分別予以控制，即可實(shí)現(xiàn)在三維方向上操縱微小對(duì)象；同時(shí)，半導(dǎo)體制冷片6也可同時(shí)開通，以調(diào)整進(jìn)入微樣品室5內(nèi)的流體溫度，從而避免溫度過高損傷微樣品室內(nèi)的質(zhì)粒；3.結(jié)合顯微鏡，即可對(duì)微樣品室內(nèi)的微小質(zhì)粒進(jìn)行操作和觀察，從而開展一系列研究工作。
權(quán)利要求
1.一種控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，包括玻璃容器(2)、微/納米級(jí)槽道(3)和微樣品室(5)，所述微樣品室(5)的兩側(cè)或周圍規(guī)則對(duì)稱布置裝有工作介質(zhì)(21)的玻璃容器(2)，每一玻璃容器(2)器壁上設(shè)置與微樣品室(5)相連通的微/納米級(jí)槽道(3)，每一玻璃容器(2)的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源(8)的電加熱薄膜(4)。
2.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，還進(jìn)一步包括透明基底(1)，玻璃容器(2)制作在透明基底(1)上。
3.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，整體裝置的各部件由玻璃或硅透明材料制做。
4.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述玻璃容器(2)的形狀為立方體筒形，其具體尺寸為1mm×1mm×1mm到5cm×5cm×5cm之間。
5.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述玻璃容器(2)的形狀為圓柱筒形，其直徑為1mm-50mm。
6.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述微樣品室(5)為立方體筒形，其具體尺寸為所述0.01mm×0.01mm×0.01mm到1cm×1cm×1cm之間。
6.按權(quán)利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述微樣品室(5)為圓柱筒形，其直徑為0.01mm-10mm。
7.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述微/納米級(jí)槽道(3)的直徑為10nm到1mm之間。
8.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述工作介質(zhì)(21)為具有熱膨脹特性的流體。
9.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述微/納米級(jí)槽道(3)下方的透明基底(1)上設(shè)有對(duì)微/納米級(jí)槽道(3)中的工作介質(zhì)(21)進(jìn)行降溫冷卻的半導(dǎo)體制冷片(6)。
10.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述微/納米級(jí)槽道(3)內(nèi)設(shè)置活塞。
11.按利要求1所述的控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置，其特征在于，所述樣品室(5)內(nèi)增設(shè)可對(duì)微小質(zhì)粒實(shí)施電泳及電穿孔功能微電極。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種控制懸浮液中微小質(zhì)粒規(guī)律運(yùn)動(dòng)的裝置包括玻璃容器、微/納米級(jí)槽道和微樣品室，所述微樣品室兩側(cè)或周圍規(guī)則對(duì)稱布置裝有工作介質(zhì)的玻璃容器，每一玻璃容器器壁上設(shè)置與微樣品室相連通的微/納米級(jí)槽道，每一玻璃容器的基底或側(cè)面上固定安置有帶加熱電源的電加熱薄膜；還可包括透明基底，玻璃容器制作在透明基底上；槽道下方的基底上設(shè)半導(dǎo)體制冷片；槽道內(nèi)還可設(shè)活塞；樣品室內(nèi)可增設(shè)微電極；本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單，具有很高的性能價(jià)格比，無需閥門、泵等，不引入外場(chǎng)效應(yīng)，更加安全可靠，而且具有連續(xù)性好，可控位移范圍寬、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，操作十分簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，與顯微鏡配套使用，效果更佳。
文檔編號(hào)B81B1/00GK1441274SQ0210424
公開日2003年9月10日 申請(qǐng)日期2002年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月25日
發(fā)明者劉靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所